Чище, еще чище!

Очень долго считались хрупкими и некоторые другие металлы — хром, молибден, вольфрам, тантал, висмут, цирконий и т. д. Однако так было до тех пор, пока не научились их получать в достаточно чистом виде. Как только это удалось, оказалось, что эти металлы очень пластичны даже при низких температурах. Кроме того, они не ржавеют и обладают еще целым рядом ценных свойств. Теперь эти металлы широко применяются в различных отраслях промышленности.

Но что же такое — чистый металл? Оказывается, на это тоже нельзя дать однозначного ответа. Условно по чистоте металлы делятся на три группы — технически чистые, химически чистые и особо чистые. Если сплав содержит не менее 99,9 процента основного металла — это техническая чистота. От 99,9 до 99,99 процента — химическая чистота. Если же 99,999 и более — это особо чистый металл. В обиходе ученые применяют и другое определение чистоты — по количеству девяток после запятой. Говорят: «чистота три девятки», «чистота пять девяток» и т. д.

Поначалу промышленность вполне удовлетворяли химически, а часто даже и технически чистые металлы. Но научно-техническая революция предъявила гораздо более жесткие требования. Первые заказы на сверхчистые металлы поступили от атомной промышленности. Десятитысячные, а порой и миллионные доли процента некоторых примесей делали негодными уран, торий, бериллий, графит. Получение сверхчистого урана было, пожалуй, главной трудностью при создании атомной бомбы.

Затем предъявила свои требования реактивная техника. Сверхчистые металлы потребовались для получения особо жаропрочных и жаростойких сплавов, которые должны были работать в камерах сгорания реактивных самолетов и ракет. Не успели металлурги справиться с этим заданием, как поступила новая «заявка» — на полупроводники. Эта задача была потруднее — во многих полупроводниковых материалах количество примесей не должно превышать миллионной доли процента! Пусть эта мизерная величина не смущает вас. Даже и при такой чистоте, где один атом  примеси приходится на 100 000 000 000 атомов основного вещества, в каждом его грамме все еще содержится более 100 000 000 000 «чужих» атомов. Так что это далеко не идеальная чистота. Впрочем, абсолютной чистоты и не бывает. Это идеал, к которому надо стремиться, но достичь которого на данном уровне развития техники невозможно. Даже если чудом и удастся получить абсолютно чистый металл, то в него тут же проникнут атомы других веществ, содержащихся в воздухе.

Показателен в этом отношении курьезный случай, происшедший со знаменитым немецким физиком Вернером Гейзенбергом. Он работал с масс-спектрографом в своей лаборатории. И вдруг прибор показал в подопытном веществе наличие атомов золота. Ученый изумился, поскольку этого никак не могло быть. Но прибор упорно «стоял на своем». Недоразумение разъяснилось лишь тогда, когда ученый снял и спрятал свои очки в золотой оправе. Отдельные атомы золота, «вырвавшиеся» из кристаллической решетки оправы, попали в исследуемое вещество и «смутили» исключительно чувствительный прибор.

А ведь это происходило в лаборатории, где воздух чист. Что же говорить о современных промышленных районах, воздух которых все больше и больше загрязняется отходами производства?

Мы начали эту главу с разговора о том, что в одном случае наличие посторонних примесей в металле — это хорошо, а в другом — плохо. Более того, сначала мы говорили, что сплавы имеют лучшую прочность и жаростойкость, чем чистые металлы, а теперь, оказывается, чистые металлы обладают самыми высокими свойствами. Противоречия никакого нет. Во многих случаях сплав более прочен, более жаростоек и т. д., чем любой из металлов, входящих в его состав. Но эти качества усиливаются многократно, когда все компоненты сплава выполняют определенную, необходимую для человека задачу. Когда в нем нет ничего «лишнего». А это значит, что сами компоненты должны быть как можно более чистыми, содержать в себе минимальное количество «посторонних» атомов. Поэтому сейчас вопрос о чистоте получаемых металлургических продуктов приобретает все большую и большую остроту. Как же решают эту проблему?

На металлургических заводах, где производят большое количество металла, идущего на обычные изделия, все шире применяется вакуум. В вакууме металл плавят и разливают, и это дает возможность предохранить его от попадания вредных газов и молекул других веществ из окружающего воздуха. А в некоторых случаях плавку ведут в атмосфере нейтрального газа, что еще больше предохраняет металл от нежелательного «проникновения».